Daar waren ze, in al hun vreemde kwantumglorie:ultrakoude lithiumatomen in de optische val die wordt beheerd door UC Santa Barbara-student Alec Cao en zijn collega's in de atomaire fysica-groep van David Weld. Vastgehouden door lasers in een regelmatige, roostervorming en "aangedreven" door pulsen van energie, deze atomen deden gekke dingen.

"Het was een beetje bizar, Weld zei. "Atomen zouden in één richting worden gepompt. Soms werden ze in een andere richting gepompt. Soms scheurden ze uit elkaar en maakten deze structuren die op DNA leken."

Deze nieuwe en onverwachte gedragingen waren het resultaat van een experiment uitgevoerd door Cao, Weld en collega's om de grenzen van onze kennis van de kwantumwereld te verleggen. De uitkomsten? Nieuwe richtingen op het gebied van dynamische kwantumtechniek, en een prikkelend pad naar een verband tussen klassieke en kwantumfysica.

Hun onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Fysiek beoordelingsonderzoek .

"Er gebeuren veel grappige dingen als je een kwantumsysteem schudt, " zei Weld, wiens lab "kunstmatige vaste stoffen" creëert - laagdimensionale roosters van licht en ultrakoude atomen - om het gedrag van kwantummechanische deeltjes in dichter opeengepakte echte vaste stoffen te simuleren wanneer ze worden onderworpen aan drijvende krachten. De recente experimenten waren de laatste in een redenering die teruggaat tot 1929, toen natuurkundige en Nobelprijswinnaar Felix Bloch voor het eerst voorspelde dat binnen de grenzen van een periodieke kwantumstructuur, een kwantumdeeltje onder een constante kracht zal oscilleren.

"Ze klotsen eigenlijk heen en weer, wat een gevolg is van het golfkarakter van materie, " Zei Weld. Terwijl deze positie-ruimte Bloch-oscillaties bijna een eeuw geleden werden voorspeld, ze werden pas relatief recent direct waargenomen; in feite was de groep van Weld de eerste die ze zag in 2018, met een methode die deze vaak snel, oneindig klein klotsen groot en langzaam, en gemakkelijk te zien.

Een decennium geleden, andere experimenten voegden een tijdsafhankelijkheid toe aan het Bloch-oscillerende systeem door het te onderwerpen aan een extra, periodieke kracht, en vond nog meer intense activiteit. Er werden oscillaties bovenop oscillaties - super Bloch-oscillaties - ontdekt.

Voor deze studie is de onderzoekers gingen nog een stap verder met het systeem, door de ruimte waarin deze atomen op elkaar inwerken te wijzigen.

"We zijn eigenlijk het rooster aan het veranderen, " zei Weld, door middel van variërende laserintensiteiten en externe magnetische krachten die niet alleen een tijdsafhankelijkheid toevoegden, maar ook het rooster kromden, waardoor een inhomogeen krachtveld ontstaat. Hun methode om grote, langzame oscillaties, hij voegde toe, "gaf ons de mogelijkheid om te kijken naar wat er gebeurt als je een Bloch-oscillerend systeem hebt in een inhomogene omgeving."

Dit is wanneer dingen raar werden. De atomen schoten heen en weer, soms uit elkaar drijven, andere keren creëren ze patronen als reactie op de energiepulsen die op verschillende manieren op het rooster drukken.

"We zouden hun voortgang met cijfers kunnen volgen als we er hard aan zouden werken, "Zei Weld. "Maar het was een beetje moeilijk te begrijpen waarom ze het ene wel doen en het andere niet."

Het was inzicht van Cao, hoofdauteur van de krant, dat leidde tot een manier om het vreemde gedrag te ontcijferen.

"Toen we de dynamiek voor alle tijden tegelijk onderzochten, we zagen net een puinhoop omdat er geen onderliggende symmetrie was, waardoor de fysica moeilijk te interpreteren is, " zei Cao, die aan zijn vierde jaar begint aan het UCSB's College of Creative Studies.

Om de symmetrie uit te tekenen, vereenvoudigden de onderzoekers dit schijnbaar chaotische gedrag door een dimensie te elimineren (in dit geval tijd) door gebruik te maken van een wiskundige techniek die oorspronkelijk is ontwikkeld om klassieke niet-lineaire dynamiek waar te nemen, een zogenaamde Poincaré-sectie.

"Bij ons experiment een tijdsinterval wordt ingesteld door hoe we het rooster periodiek in de tijd wijzigen, "Zei Cao. "Toen we alle 'tussendoor'-tijden weggooiden en eenmaal per periode naar het gedrag keken, structuur en schoonheid kwamen naar voren in de vormen van de banen omdat we de symmetrie van het fysieke systeem goed respecteerden." Het systeem alleen observeren in perioden gebaseerd op dit tijdsinterval leverde zoiets op als een stop-motionweergave van de gecompliceerde maar cyclische bewegingen van deze atomen .

"Wat Alec dacht, is dat deze paden - deze Poincaré-banen - ons precies vertellen waarom in sommige regimes van het aandrijven van de atomen worden gepompt, terwijl in andere regimes van aandrijven de atomen zich uitspreiden en de golffunctie verbreken, " Weld toegevoegd. Een richting die de onderzoekers vanaf hier zouden kunnen nemen, hij zei, is om deze kennis te gebruiken om kwantumsystemen te ontwikkelen om nieuw gedrag te vertonen door te rijden, met toepassingen in snelgroeiende gebieden zoals topologische kwantumcomputers.

"Maar een andere richting die we kunnen inslaan, is kijken of we de opkomst van kwantumchaos kunnen bestuderen als we dingen gaan doen zoals het toevoegen van interacties aan een aangedreven systeem als dit, ' zei Weld.

Het is geen geringe prestatie. Natuurkundigen proberen al tientallen jaren verbanden te vinden tussen klassieke en kwantumfysica - een veel voorkomende wiskunde die concepten op het ene gebied zou kunnen verklaren die geen analogie lijken te hebben in het andere, zoals klassieke chaos, de taal waarvoor in de kwantummechanica niet bestaat.

"Je hebt waarschijnlijk wel eens gehoord van het vlindereffect - een vlinder die met zijn vleugels klappert in het Caribisch gebied kan ergens ter wereld een tyfoon veroorzaken, " zei Weld. "Dat is eigenlijk een kenmerk van klassieke chaotische systemen, die een gevoelige afhankelijkheid van beginvoorwaarden hebben. Die functie is eigenlijk heel moeilijk te reproduceren in kwantumsystemen - het is een raadsel om dezelfde verklaring te bedenken in kwantumsystemen. Dus dit is misschien een klein stukje van dat onderzoek."